基于ANSYS的钻机大钩强度分析

史革盟

（宝鸡文理学院 机械工程学院，宝鸡 721016）

基于ANSYS的钻机大钩强度分析

史革盟

（宝鸡文理学院 机械工程学院，宝鸡 721016）

本文建立了大钩钩体的实体模型，采用ANSYS有限元软件进行了钩体强度分析，相对真实地反映出钩体的应力和变形情况，得出钩体最大应力和最大应变位置，为钩体的理论设计及安全生产提供理论依据。

钻机大钩 有限元 强度分析

钻机大钩是石油钻机提升设备的一个主体结构，在钻井作业中主要作用是起下钻具、悬持钻柱、下套管、卡钻或者遇阻时提拔钻柱，排除井下事故。钩体是大钩最关键的承载件，在钻井作业中承受着从空载到最大钻柱质量的反复作用力[1-2]。为了保证钩体设计的合理性和使用安全性，对钩体的力学性能研究是其设计的核心部分，常规理论计算过程中往往选择一些典型面进行设计计算，这对整体的把握性有一定的欠缺。本文对大钩钩体采用有限元方法进行计算，从而进行应力强度及变形分析。

1 建立大钩实体模型

1.1 大钩实体模型

建立完整的大钩几何模型并导入ANSYS软件中，在建模时忽略了钩扣、钩体上影响不大的铸造圆角和实际制造等影响因素。通过简化钩体结构可以降低划分网格单元总数和难度，避免畸形单元的出现，缩短计算时间，但其结构整体的静力学是等效的[3-5]。

图1 大钩实体模型

1.2 钩体材料的力学性能

大钩钩体采用ZG310-570材料，其力学性能见表1。

表1 钩体材料的力学性能

2 单元网格划分

对大钩实体模型进行自适应网格剖分，对于可能存在应力集中的地方进行手工干涉加密网格，采用SOLID45四面体8节点三维实体线性单元，共划分节点数2321550个，单元数为1476106个，大钩的计算模型网格划分后如图2所示。

图2 大钩有限元模型

3 应力应变强度分析

大钩钩体主要依靠螺纹承载，分析时将约束简化为在钩体断面进行X、Y、Z三个方向固定约束，按最大钩载675吨（近似换算成6750kN）极限载荷进行计算，即主钩单独承受向下的6750kN拉力、两个副钩不受力的情况进行求解。

3.1 应力分析

大钩钩体承受载荷时的应力强度和最大剪切应力分析，如图3、图4所示。

图3 钩体应力强度分析

图4 最大剪切应力分析

由图可知，对大钩进行有限元模拟工况，钩体承载时，最大应力强度和最大剪切力都出现在钩舌根处，最大应力373.01MPa小于抗拉强度极限600MPa；最大剪切力186.5MPa大于材料屈服强度355MPa的一半，都满足设计强度要求。

3.2 应变分析

大钩钩体在承受载荷时，产生的应变情况如图5、图6、图7所示。

图5 钩体载荷下变形图

图6 弹性应变强度分析

图7 剪切弹性应变分析

由图可知，钩体变形最大处在钩舌下面，最大变形量为1.6212mm，最小变形量为0mm，大于其伸长率16%。另外，钩体最大弹性应变和最大剪切弹性应变都出现在钩体舌根处，最大应变值远小于其要求值，在安全可靠生产范围内。

4 结论

建立了DG675型大钩钩体实体模型，将载荷直接加载到钩舌工作处，对大钩工作过程进行有限元分析。分析结果表明，钩体在载荷作用下产生的最大应力满足其强度要求，同时产生的应变小于其安全值，相对真实地反映了钩体的应力和变形，为大钩钩体的设计提供了计算依据，也能为解决钩体安全生产和可靠使用提供准确的理论依据。

[1]杨斌，高峰，颜刚.国产石油钻机发展方向探讨[J].石油矿场机械，2005，34（5）：37-39.

[2]白木，方华灿，周洁.我国石油钻机发展综述[J].石油工业技术监督，2003，19（5）：1-6.

[3]刘春友.DG675型大钩钩身有限元强度分析与设计优化[J].石油矿场机械，2015，44（12）：27-30.

[4]杨红刚，蒲容春，骆宏骞，等.DG900型大钩钩体有限元强度分析[J].石油矿场机械，2008，37（10）：43-46.

[5]余华俐，许敬方，刘彦国.基于ANSYS 的石油钻采大钩模态分析[J].制造业自动化，2009，31（1）：26-28.

[6]刘一杰.P-2000型高压泥浆泵阀座有限元分析与工艺优化[J].石油矿场机械，2014，43（1）：34-37.

Strength Analysis of the Rig Hook Based on ANSYS

SHI Gemeng
（Mechanical Engineering College of Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016）

Established a solid model of the hook, Carried out the strength analysis by ANSYS finite element, reflected relatively the stress and deformation of the hook, Obtained the maximum stress and strain position, provide a theoretical basis for the hook design and safety production.

rig hook, finite element, strength analysis

宝鸡市科学研究计划项目（14GYGG-3），宝鸡文理学院重点项目（ZK16109）。